Биоадгезив - Bioadhesive

Биоадгезивы естественны полимерный материалы, которые действуют как клеи. Этот термин иногда используется более свободно для описания образовавшегося клея. синтетически из биологических мономеры Такие как сахара, или обозначать синтетический материал, предназначенный для прилипания к биологическим ткань.

Биоадгезивы могут состоять из множества веществ, но белки и углеводы занимать видное место. Белки, такие как желатин и углеводы, такие как крахмал В течение многих лет люди использовали в качестве клея общего назначения, но, как правило, из-за недостатка рабочих характеристик их заменяли синтетическими альтернативами. Высокоэффективные клеи, встречающиеся в природе, в настоящее время исследуются, но еще не получили широкого коммерческого использования. Например, биоадгезивы, выделяемые микробами и морскими моллюски и ракообразные исследуются с целью биомимикрия.[1]

Биоадгезивы представляют коммерческий интерес, потому что они, как правило, биосовместимы, т.е. полезны для биомедицинский аппликации на кожу или другие ткани тела. Некоторые работают во влажной среде и под водой, в то время как другие могут придерживаться низкой поверхностной энергии - неполярный поверхности как пластик. В былые времена,[когда? ] на промышленность синтетических клеев повлияли проблемы окружающей среды и вопросы здоровья и безопасности, связанные с опасными ингредиентами, летучие органические соединения выбросы, а также трудности с переработкой или восстановлением клеев, полученных из нефтехимический сырье. Рост масло Цены могут также стимулировать коммерческий интерес к биологическим альтернативам синтетическим адгезивам.

Примеры биоадгезивов в природе

Организмы могут выделять биоадгезивы для использования в целях прикрепления, строительства и создания препятствий, а также для хищничества и защиты. Примеры[2] включать их использование для:

Некоторые биоадгезивы очень сильные. Например, взрослые ракушки достигают отрывной силы до 2 МПа (2 Н / мм2). Шелк допинг также можно использовать в качестве клея паукообразные и насекомые.

Полифенольные белки

Небольшое семейство белков, которые иногда называют полифенольными белками, производятся некоторыми морские беспозвоночные как голубая мидия, Mytilus edulis[4] некоторыми водоросли '[нужна цитата ], и полихетой Фрагматопома калифорнийская.[5] Эти белки содержат высокий уровень посттрансляционно модифицированной - окисленной - формы тирозина, L-3,4-дигидроксифенилаланин (леводопа, L-ДОФА)[5] а также дисульфидная (окисленная) форма цистеина (цистин ).[4] У мидии зебры (Дрейссена полиморфная ), два таких белка, Dpfp-1 и Dpfp-2, локализуются на стыке между Бисс нитки и лейкопластырь.[соответствующий? – обсуждать][6][соответствующий? – обсуждать] Присутствие этих белков, как правило, способствует повышению жесткости материалов, функционирующих как биоадгезивы.[7][нужна цитата ] Присутствие фрагмента дигидроксифенилаланина является результатом действия тирозингидроксилаза -тип фермента;[нужна цитата ] in vitro было показано, что белки могут быть сшиты (полимеризованы) с использованием грибов тирозиназа.[соответствующий? – обсуждать][8]

Временная адгезия

Такие организмы, как блюдца и морские звезды использовать всасывание и слизь -подобные слаймы для создания Стефановая адгезия, что делает отрывание намного сложнее, чем боковое сопротивление; это позволяет как привязанность, так и мобильность. Для спор, эмбрионов и ювенильных форм могут использоваться временные клеи (часто гликопротеины ) для обеспечения их первоначального прикрепления к поверхностям, благоприятным для колонизации. Липкий и эластичный выделения, которые действуют как клеи, чувствительные к давлению, образующие немедленную привязанность при контакте, предпочтительны в контексте самообороны и хищничество. Молекулярные механизмы включают: нековалентный взаимодействия и перепутывание полимерных цепей. Много биополимеры - белки, углеводы, гликопротеины, и мукополисахариды - может использоваться для формирования гидрогели которые способствуют временному приживлению.

Постоянная адгезия

Многие перманентные биоадгезивы (например, oothecal пена из богомол ) создаются в процессе "смешивания для активации", который включает в себя отверждение посредством ковалентный сшивание. На неполярных поверхностях адгезивные механизмы могут включать силы Ван дер Ваальса, тогда как на полярный поверхностные механизмы, такие как водородная связь и привязка к (или формирование мостов через) металл катионы может позволить достичь более высоких сил прилипания.

  • Микроорганизмы использовать кислый полисахариды (молекулярная масса около 100 000 Да )[нужна цитата ]
  • Морские бактерии используют экзополимеры углеводов для достижения прочности сцепления со стеклом до 500 000 Н / м.2[нужна цитата ]
  • Морские беспозвоночные обычно используют клеи на белковой основе для необратимого прикрепления. Некоторые мидии достигают 800 000 Н / м2 на полярных поверхностях и 30000 Н / м2 на неполярных поверхностях[нужна цитата ] эти числа зависят от окружающей среды, мидии в среде с высоким уровнем хищничества имеют повышенную привязанность к субстрату. В условиях высокой хищничества хищникам может потребоваться на 140% больше силы, чтобы вытеснить мидий.[9]
  • Немного водоросли и морские беспозвоночные используют лепротеины которые содержат L-ДОПА для воздействия на адгезию[нужна цитата ]
  • Белки в яичной пене богомола ковалентно сшиты небольшими молекулами, связанными с L-ДОФА через дубление реакция, которая есть катализированный к катехолоксидаза или же полифенолоксидаза ферменты.[нужна цитата ]

L-ДОПА - это тирозин остаток, несущий дополнительный гидроксил группа. Двойные гидроксильные группы в каждой боковая цепь хорошо конкурируют с водой за связывание с поверхностями, образуют полярные прикрепления через водородные связи, и хелат в металлы в минеральная поверхности. Fe (L-ДОПА3) комплекс может сам по себе объяснять много сшивок и когезии в мидия бляшка,[10] но кроме того утюг катализирует окисление L-ДОПА[11] реагировать хинон свободные радикалы, которые образуют ковалентные связи.[12]

Коммерческие приложения

Шеллак является одним из первых примеров практического использования биоадгезива. Теперь существуют дополнительные примеры, другие находятся в разработке:

Изучаются несколько коммерческих методов производства:

  • Прямой химический синтез, например включение групп L-ДОФА в синтетические полимеры[17]
  • Ферментация из трансгенный бактерии или дрожжи которые экспрессируют биоадгезивный белок гены
  • Разведение естественных организмов (малых и крупных), выделяющих биоадгезивные материалы

Мукоадгезия

Более конкретный термин, чем биоадгезия мукоадгезия. Большинство поверхностей слизистой оболочки, например, кишечника или носа, покрыты слоем слизь. Следовательно, адгезия вещества к этому слою называется мукоадгезией.[18] Мукоадгезивные агенты обычно представляют собой полимеры, содержащие группы водородных связей, которые можно использовать во влажных составах или в сухих порошках для целей доставки лекарств. Механизмы, лежащие в основе мукоадгезии, еще полностью не выяснены, но общепринятая теория состоит в том, что сначала должен быть установлен тесный контакт между мукоадгезивным агентом и слизью, после чего следует взаимное проникновение мукоадгезивного полимера и муцина и завершение образования связок и химические связи между макромолекулами.[19] В случае сухого полимерного порошка начальная адгезия, скорее всего, достигается за счет движения воды от слизистой оболочки к составу, что также, как было показано, приводит к обезвоживанию и укреплению слизистого слоя. Последующее образование ван-дер-ваальсова водорода и, в случае положительно заряженного полимера, электростатических связей между муцинами и гидратированным полимером способствует длительной адгезии.[нужна цитата ][18]

Рекомендации

  1. ^ Смит, А. И Кэллоу, Дж. А., ред. (2006) Биологические клеи. Спрингер, Берлин. ISBN  978-3-540-31048-8
  2. ^ Грэм, Л. (2008) Биологические клеи от природы. В: Энциклопедия биоматериалов и биомедицинской инженерии2-е изд., Ред. Wnek, G. и Bowlin, G., Informa Healthcare, New York & London, vol. 1. С. 236-253.
  3. ^ Ли Д., Хусон М. И Грэм, Л. (2008) Белковые липкие выделения насекомых, в частности клей для прикрепления яиц Оподифтера sp. моль. Arch. Insect Biochem. Physiol. 69, 85-105. DOI: 10.1002 / arch.20267
  4. ^ а б Rzepecki, Leszek M .; Hansen, Karolyn M .; Уэйт, Дж. Герберт (август 1992 г.). «Характеристика семейства полифенольных белков, богатых цистином, из голубой мидии Mytilus edulis L.» Биологический бюллетень. 183 (1): 123–137. Дои:10.2307/1542413. JSTOR  1542413. PMID  29304577.
  5. ^ а б Дженсен, Ребекка А .; Морс, Дэниел Э. (1988). "Биоадгезив Фрагматопома калифорнийская тюбики: шелковистый цемент, содержащий L-DOPA ». Журнал сравнительной физиологии B. 158 (3): 317–24. Дои:10.1007 / BF00695330. S2CID  25457825.
  6. ^ Rzepecki, LM; Уэйт, JH (1993). «Биссус мидии данио, Dreissena polymorpha. II: Структура и полиморфизм семейств полифенольных белков биссала». Молекулярная морская биология и биотехнология. 2 (5): 267–79. PMID  8180628.
  7. ^ Rzepecki, LM; Чин, СС; Уэйт, JH; Лавин, М.Ф. (1991). «Молекулярное разнообразие морских клеев: полифенольные белки пяти видов мидий». Молекулярная морская биология и биотехнология. 1 (1): 78–88. PMID  1845474.
  8. ^ Бурцио, Луис А.; Бурцио, Вероника А; Пардо, Джоэл; Бурцио, Луис О (2000). «Полимеризация полифенольных белков мидий in vitro, катализируемая тирозиназой грибов». Сравнительная биохимия и физиология B. 126 (3): 383–9. Дои:10.1016 / S0305-0491 (00) 00188-7. PMID  11007180.
  9. ^ Леонард Г.Х., Бертнесс, доктор медицины, Юндо П.О. Хищничество крабов, сигналы, передающиеся через воду, и индуцируемая защита у синей мидии Mytilus edulis. Экология. 1999; 80 (1).
  10. ^ Sever M.J .; Weisser, J.T .; Monahan, J .; Srinivasan, S .; Вилкер, Дж. Дж. (2004) Металл-опосредованное сшивание при создании адгезива из морских мидий. Энгью. Chem. Int. Эд. 43 (4), 448-450
  11. ^ Monahan, J .; Вилкер, Дж. Дж. (2004) Сшивка белка-предшественника адгезивов из морских мидий: объемные измерения и реагенты для лечения. Langmuir 20 (9), 3724-3729
  12. ^ Деминг, Т. (1999) Виссус мидий и биомолекулярные материалы. Curr. Мнение. Chem. Биол. 3 (1), 100-105
  13. ^ Комби, Дж., Сталь, А. и Свитцер, Р. (2004) Клей, созданный природой (и испытанный в Redstone Arsenal). Чистые технологии и экологическая политика 5 (4), 258-262. Абстрактный
  14. ^ Флаер USB[постоянная мертвая ссылка ]
  15. ^ Graham, L.D .; Glattauer, V .; Huson, M.G .; Максвелл, J.M .; Knott, R.B .; White, J.W .; Vaughan, P.R .; Peng, Y .; Tyler, M.J .; Werkmeister, J.A .; Рэмшоу, Дж. (2005) Характеристика адгезивного эластомера на основе белка, выделяемого австралийской лягушкой. Notaden Bennetti. Биомакромолекулы 6, 3300-12. Абстрактный
  16. ^ Schnurrer, J .; Лер, К. (1996) Мукоадгезивные свойства адгезивного белка мидий. Int. J. Фармацевтика 141 (1-2), 251-256
  17. ^ Хуанг, К .; Lee, B.P .; Ingram, D.R .; Мессерсмит, П. (2002) Синтез и характеристика самособирающихся блок-сополимеров, содержащих биоадгезивные концевые группы. Биомакромолекулы 3 (2), 397-406
  18. ^ а б J.D. Smart. Основы и механизмы, лежащие в основе мукоадгезии. Adv Drug Deliv Rev.57: 1556-1568 (2005).
  19. ^ Хэгерстрём, Хелен (2003). «Полимерные гели как фармацевтические лекарственные формы: реологические характеристики и физико-химические взаимодействия на границе раздела гель-слизь для составов, предназначенных для доставки лекарств через слизистые оболочки». Дива.

внешняя ссылка